钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发

胜亚楠 管志川

胜亚楠,管志川. 钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发[J]. 石油钻采工艺,2019,41(2):191-196. doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
引用本文: 胜亚楠,管志川. 钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发[J]. 石油钻采工艺,2019,41(2):191-196.  doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
SHENG Ya’nan, GUAN Zhichuan. Design of drilling engineering risk evaluation and control system and its software development[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2019, 41(2): 191-196. doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
Citation: SHENG Ya’nan, GUAN Zhichuan. Design of drilling engineering risk evaluation and control system and its software development[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2019, 41(2): 191-196.  doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012

钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发

doi: 10.13639/j.odpt.2019.02.012
基金项目: 国家自然科学基金项目“隔水管内气液两相流声传播特性与深水钻井气侵监测方法”(编号:51574275);长江学者和创新团队发展计划资助项目“海洋油气井钻完井理论与工程”(编号:IRT_14R58)
详细信息
    作者简介:

    胜亚楠(1989-),中国石油大学(华东)油气井工程在读博士,现主要从事钻井工程风险评价、井身结构优化设计和油气井井下信息控制等方面的研究工作。 E-mail: shengyanan_upc@163.com

  • 中图分类号: TE22

Design of drilling engineering risk evaluation and control system and its software development

图(3)
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出版历程
  • 修回日期:  2019-01-13
  • 刊出日期:  2019-03-01

钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发

doi: 10.13639/j.odpt.2019.02.012
    基金项目:  国家自然科学基金项目“隔水管内气液两相流声传播特性与深水钻井气侵监测方法”(编号:51574275);长江学者和创新团队发展计划资助项目“海洋油气井钻完井理论与工程”(编号:IRT_14R58)
    作者简介:

    胜亚楠(1989-),中国石油大学(华东)油气井工程在读博士,现主要从事钻井工程风险评价、井身结构优化设计和油气井井下信息控制等方面的研究工作。 E-mail: shengyanan_upc@163.com

  • 中图分类号: TE22

摘要: 为了提高国内钻井风险评估水平、缩小与国外的技术差距,开发了一套集“钻前风险预测、钻进风险监控、钻后风险总结”于一体的钻井工程风险评估与控制系统,并完成了相关的软件研发。该系统包括5个子系统:含不确定度钻井地质力学参数钻前描述及随钻更新子系统、钻前工程设计风险评估与控制子系统、钻井作业过程动态风险评估与控制子系统、钻后工程风险总结与分析子系统以及钻井工程风险数据库子系统。该软件可以实现对井下复杂与事故的钻前工程风险预测和钻进过程中的工程风险监测以及钻后的风险总结,为钻前优化钻井工程设计方案、钻中规避钻进过程中的工程风险和后期待钻井工程设计方案的优化制定提供技术指导和科学依据。

English Abstract

胜亚楠,管志川. 钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发[J]. 石油钻采工艺,2019,41(2):191-196. doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
引用本文: 胜亚楠,管志川. 钻井工程风险评估与控制系统的设计与软件研发[J]. 石油钻采工艺,2019,41(2):191-196.  doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
SHENG Ya’nan, GUAN Zhichuan. Design of drilling engineering risk evaluation and control system and its software development[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2019, 41(2): 191-196. doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
Citation: SHENG Ya’nan, GUAN Zhichuan. Design of drilling engineering risk evaluation and control system and its software development[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2019, 41(2): 191-196.  doi:  10.13639/j.odpt.2019.02.012
  • 随着油气勘探开发逐步向深井复杂地层以及海洋深水迈进,钻井工程设计及施工风险越来越突出[1-2]。为了保障钻井安全,国内外钻井服务公司开发了一系列钻井风险评估软件。国外知名的石油工程服务公司在这一领域长期处于领先地位,如Schlumberger公司的NDS系统、挪威Statoil ASA公司的eDrilling系统、Baker Hughes公司的RNS系统等[3-5]。国内的石油高校和软件公司也开发了一系列钻井工程软件,但是总的来看国内有关钻井风险评估技术的研究尚处于起步阶段,配套的理论技术、设备及软件等与国外还存在着较大差距[6-10]。为提高国内钻井风险评估技术水平、缩小与国外的差距,经过长期的研究,开发了一套集“钻前风险预测、钻进风险监控和钻后风险总结”于一体的钻井工程风险评估与控制系统,可以实现对井下复杂与事故的钻前工程风险预测和钻进过程中的工程风险监测以及钻后的风险总结,为钻前优化钻井工程设计方案、钻中规避钻进过程中的工程风险和钻后风险总结分析提供技术指导和科学依据[11-13]

    • 钻井工程风险评估与控制系统整体结构如图1所示。

      图  1  钻井工程风险评估与控制系统

      Figure 1.  Drilling engineering risk evaluation and control system

    • 钻井工程风险评估与控制系统的组成包括5个子系统。

    • 该模块主要功能是构建区域含不确定度钻井地质力学参数三维模型,可以使钻井工程技术人员更加清晰地了解区块内钻井地质力学参数的空间分布及变化规律,为钻前工程设计风险的分析与评估提供必要的基础数据。

    • 钻前工程设计风险评估模块可以对待钻井井身结构设计方案进行风险评估,定量评估因套管层次及下深设计不足而导致涌、漏、塌、卡等风险发生的概率及烈度,得到沿井深分布的风险概率剖面,直观显示风险发生的层位及严重程度。同时,也可以针对待钻井的地质力学参数特征,设计出满足无风险的井身结构。该模块的功能就是在钻前设计阶段最大限度地规避由于井身结构设计不足导致可能发生的相关钻井工程风险。

    • 按照进行动态风险评估的数据来源,可以将该模块分为2大模块:基于录井资料的动态风险评估模块和基于随钻测井资料的动态风险评估模块。基于录井资料的动态风险平估模块包含3个子模块:录井资料实时接收模块、动态风险评估模块以及风险处理措施知识库模块。可以实现录井资料的实时接收、动态风险发生类型及烈度的判断以及风险调控措施的及时制定。基于随钻测井资料的动态风险评估模块包含3个子模块:钻前模型修正与更新子模块、井底循环当量钻井液密度不确定性分析子模块以及钻井作业动态风险概率计算子模块。该子模块可以实现对钻前模型的修正及动态风险发生类型和烈度的判断。

    • 钻后风险总结模块又分为2大模块:钻井地质力学参数区域模型更新模块和风险评估模型更新模块。该模块与含不确定度钻井地质力学参数模型构建模块以及钻井作业过程动态风险评估模块相连接,将修正结果直接导入含不确定度钻井地质力学参数模型构建模块以及钻井作业过程动态风险评估模块。

    • 选用Microsoft SQL Server 2008构建钻井风险数据库,钻井工程风险数据库系统主要有4大功能模块:系统安全模块、数据管理模块、数据库备份与恢复模块、数据查询模块。数据库主要功能包括更新数据、添加、存储和删除等,可以实现对数据科学化、数字化管理;同时,也可以指导钻井工程设计,如选择合理的套管与钻头系列、确定套管层次和下深范围、基于邻井地层压力和风险分析结果精细化设计钻井液密度以及其他相关配套技术的优选;可以指定风险规避和处理方案,如基于邻井相似井的钻井实践,优化钻井参数规避风险;以及基于数据库存储的风险处理措施制定风险处理预案,及时控制风险程度的恶化,降低事故带来的危害。

    • 综合考虑超深层油气地质的复杂性、解释资料的不完备性以及数学模型的精度对地质特征参数的影响,通过收集地震资料、测井资料,基于不确定度等理论,笔者研究建立了钻井地质力学参数不确定性量化表征方法。在此基础上,利用地质统计学理论建立区域含不确定度钻井地质力学参数三维模型,并结合可视化算法实现模型的三维可视化。通过对钻井过程中的随钻测井、随钻测量和实钻测试等相关数据进行筛选、处理,通过理论计算、实验验证及统计分析,基于贝叶斯理论建立钻前模型的实时更新机制,从而对钻井地质力学参数模型实时更新,为风险评估提供更为准确的基础数据。

    • 对于一口待钻井,在钻前评估其钻井设计方案是否足够安全是十分必要的,一旦发现可能引发的工程风险,可在钻前对设计进行合理调整,从而降低风险的发生概率甚至规避风险。在构建的区域含不确定钻井地质力学参数钻前模型的基础上,根据待钻井井眼轨迹设计结果,从模型中获取沿井眼轨迹的钻井地质力学参数结果,即含不确定度的地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力区间剖面。然后基于井筒压力平衡原理,在地层压力剖面的基础上,构建含不确定度安全钻井液密度窗口。依据裸眼井段压力平衡原理,建立用于定量评估因套管层次及下深设计不足而导致涌、漏、塌、卡等风险发生的概率及烈度的模型,形成套管层次及下深设计风险定量评估方法。根据建立的钻前工程设计风险概率计算模型,可以对待钻井的井身结构设计方案进行风险评估;如果无风险,则可以按照原设计方案进行钻井施工;如果风险高,则必须调整井身结构方案,再对新方案重新进行风险评估,直到满足要求。同时,建立了基于风险管控的套管层次及下入深度确定方法,可以在钻前设计阶段最大限度规避井身结构设计不足导致的相关风险。

    • 针对复杂地质环境下钻井作业过程中井下工程风险预测误差大且缺乏有效调控方法的问题,通过建立钻井作业动态风险评估方法、以及动态风险管理与控制方法,最大限度提高钻井过程中对风险的评估精度,并通过井下工程风险及其调控方案数据库的形式为现场的风险预警和规避方案的制定进行有效指导。通过开展钻井过程中信息数据源分析,在钻前模型基础上,结合测井、录井、随钻测量和钻井等相关信息,基于贝叶斯理论修正与更新钻前模型,从而实现对待钻井井眼轨迹上的钻井地质力学参数进行实时的更为精确的预测;或者,基于灰色预测理论预测得到钻头前方待钻地层的地层压力。同时,通过建立井筒压力及ECD定量计算模型和不确定性分析方法,得到钻头位置上含不确定度的钻井液循环当量密度;在此基础上,根据笔者构建的风险概率定量模型,得到钻进到钻头位置处时涌、漏、塌、卡风险的概率;无风险的话继续钻进;如果有风险,通过调整钻进参数改变井底钻井液循环当量密度来规避和控制风险,直到满足安全需求后继续钻进。

      如果缺少随钻测井资料,也可以根据综合录井资料进行动态风险评估。确定工程风险对应的综合录井特征参数,在此基础上,构建了基于PSO优化BP神经网络的钻井动态风险评估模型。然后,通过收集区域已钻井录井资料以及事故分析统计报告等,分析不同井下工况及异常情况下综合录井特征参数的变化规律,采用归一化处理构建模型训练样本;利用训练样本训练建立的动态风险评估模型,使其风险预测精度不断提高。最后,基于建立的钻井动态风险评估模型,在对录井资料的监测分析的基础上,实时判断井下风险类型及概率,在风险发生的早期给出预警信息,及时指导风险调控措施的开展。

    • 一口井施工结束后,通过对整个周期内获取的所有数据与信息进行总结分析,建立钻井工程风险知识库,为后续钻井方案的制定提供技术支持。钻井工程风险总结的主要工作是对比现场工程风险与风险评估结果,分析风险评估方法的适应性,修正并改进风险评估模型。利用钻井地质力学参数实测值或者测井解释结果,修正钻井地质力学参数计算公式中的模型系数,并结合已钻井资料或区域地震资料,不断修正并完善区域钻井地质力学参数模型,不断降低模型的不确定度,为后续待钻井工程设计方案的风险评估提供更为准确的基础数据。同时,收集并整理在整个钻井周期内与工程风险相关的数据与资料,随着风险评估模型中训练样本的增加,不断提高工程风险及其烈度的评估精度,并通过井下工程风险及其调控方案数据库的形式为后续钻井工程设计方案的制定以及风险预警和规避进行有效指导。

    • 整个钻井工程周期内的多源信息数据流依次为,钻前-钻中-钻后。钻前信息主要包括:区域地震资料、邻井测井、岩心试验、压力测试、井史报告和事故统计资料等。依据钻前信息,完成待钻井工程设计方案的制定,在设计阶段最大限度地保证钻井安全。钻进过程中能够获取的资料主要包括:随钻资料、上部已钻井段的测井资料以及综合录井资料等。基于钻中信息,可以修正并完善钻前设计方案,规避和调控钻进过程中发生的风险。一口井施工结束后,通过对整个周期内获取的所有数据与信息进行总结分析,建立钻井工程风险知识库,为后续钻井方案的制定提供技术支持。钻井工程风险数据库结构如图2所示。

      图  2  钻井工程风险数据库结构

      Figure 2.  Structure of drilling engineering risk database

    • 采用编程语言VB.net、MATLAB以及SQL Server 2008完成了钻井工程风险评估与控制软件编制。以中海油海外某气田X井为例进行实例分析,1 800 m以及2 150 m处预先识别出可能发生井涌风险。在实际钻井过程中,在钻至相应井深位置时,现场人员发现小涌,及时采取了相应措施,避免了风险进一步恶化。软件预测结果与钻井现场实际情况相吻合。

      图  3  软件主界面

      Figure 3.  Main interface of the software

      (1)含不确定度钻井地质力学参数模型构建模块。该模块主要功能是构建区域含不确定度钻井地质力学参数三维模型,有利于工程技术人员更加清晰地了解区块内地层压力的空间分布及变化规律;同时,可以从模型中提取出待钻目标井的含不确定度的钻井地质力学参数剖面,为钻前工程设计风险评估提供必要的地层压力信息数据。

      (2)钻前工程设计风险评估模块。钻前工程设计风险评估模块可以对待钻井井身结构设计方案进行风险评估,定量计算风险发生的概率及烈度,得到沿井深分布的风险概率剖面,直观显示风险发生的层位及严重程度,如果无风险,则可以按照原设计方案进行钻井施工;如果风险高,则必须调整井身结构设计方案,再对新方案重新进行风险评估,直到满足要求。同时,也可以针对待钻井的钻井地质力学参数特征,设计出满足无风险钻井要求的待钻井套管层次及下入深度范围。

      (3)钻井作业过程动态风险评估模块。按照进行动态风险评估的数据来源,可以将该模块分为2大模块:基于录井资料的动态风险评估与控制模块和基于随钻测井资料的动态风险评估与控制模块。基于录井资料的动态风险评估与控制模块包含3个子模块:录井数据实时接收模块、动态风险评估模块以及风险控制知识库模块。可以实现录井资料的实时接收、动态风险发生类型及烈度的判断以及风险控制措施的及时制定。基于随钻测井资料的动态风险评估与控制模块包含3个子模块:钻前模型修正与更新子模块、井底循环当量钻井液密度计算与不确定性分析子模块以及钻井作业动态风险评估与控制子模块。可以实现对钻前模型的修正与更新、实时判断井下风险类型并预测风险发生概率,在风险发生的早期给出预警信息,并通过井下工程风险及其控制方案数据库的形式为规避方案的制定进行有效指导。

      (4)钻后工程风险总结与分析模块。钻后风险总结模块又分为2大模块:钻井地质力学参数区域模型更新模块和风险评估模型更新模块。该模块与含不确定度钻井地质力学参数模型构建模块以及钻井作业过程动态风险评估模块相连接,将修正结果直接导入含不确定度钻井地质力学参数模型构建模块以及钻井作业过程动态风险评估模块。

      (5)钻井工程风险数据库。选用Microsoft SQL Server 2008构建钻井风险数据库,钻井工程风险数据库系统主要有4大功能模块:系统安全模块、数据管理、数据备份与恢复模块、查询与分析模块。数据库主要功能包括更新数据、添加、存储和删除等,可以实现对数据科学化、数字化管理;同时,也可以指导后续钻井工程设计,如套管与钻头系列方案的优选、套管层次和下深范围大致确定、基于邻井地层压力和风险分析结果精细化设计钻井液密度以及其他相关配套技术的优选;可以制定风险规避和处理方案,如基于邻井的钻井实践优化钻井参数规避风险;以及基于数据库存储的风险处理措施制定风险处理预案,及时控制风险程度的恶化,降低事故带来的危害。

    • (1)开发研究的钻井工程风险评估与控制系统软件,集“钻前风险预测、钻进风险监控和钻后风险总结”于一体,可以实现对井下复杂与事故的钻前工程风险预测、钻进过程中的工程风险监测、钻后的风险经验总结,为钻前优化钻井工程设计方案、钻中规避钻进过程中的工程风险和钻后风险分析提供技术指导和科学依据。

      (2)系统涉及大量地质数据及工程数据,为确保风险评价结果的准确性,需要与地质人员进行充分的合作与沟通;同时随着一个区块不断开发,要及时完善和更新地质模型及风险评估模型。

参考文献 (13)

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